井筒冻结孔环形通道注浆封堵机理与应用研究
发布时间：2021-08-03 10:40
西部矿区井筒建设普遍采用全深冻结法施工,由于缓凝水泥浆置换高度受限,冻结管与冻结孔孔壁之间易形成环形导水通道,从而沟通不同层段的含水层,使之产生水力联系,对矿井的安全生产构成一定影响,需要采用注浆方法对环形通道进行封堵。本文依托营盘壕煤矿,采用理论分析、数值模拟、室内试验及现场应用相结合的研究手段,开展环形通道内速凝类浆液驱替扩散封堵机理及高压注浆作用下围岩非线性变形过程研究,为注浆工程关键参数的选取提供依据。对典型速凝类浆液（水泥-水玻璃浆液）的理化性质进行测试,基于其流变性质推导建立了环形通道内黏度时变性浆液扩散控制方程。利用COMSOL多物理场数值模拟软件,研究了环形通道注浆过程中浆液黏度、扩散距离及浆液扩散驱动压力时空分布特征。利用ABAQUS数值模拟软件,采用正交试验方法分析了围岩力学性质、井壁力学性质、孔口管长度、注浆压力、注浆方式等5个因素影响下围岩受力及变形规律,确定注浆过程中围岩安全的主控因素;利用该软件开展了三维数值模拟试验,研究了高压注浆作用下井壁及围岩受力变形特征。深入分析我国西部多个矿区的冻结法施工井筒涌水案例,按照致灾原因划分了冻结孔水害类型。综合所得理论分...
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２井田含、隔水层结构示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｑｕｉｆｅｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??侏罗系安定组为阻隔志丹群含水层水进入矿井的主要隔水层
度８０５．９２ｍ。主井冻结深度８６５．００ｍ，冻结范围包括井筒下部装载硐室；冻结钻孔??４４个，直径＜Ｊ＞１９２ｍｍ，冻结管采用管径Ｏ１４〇ｘ６ｍｍ无缝钢管；测温管５个，采用??管径（＆１２７ｘ５ｍｍ无缝钢管（如图２．３所示）。冻结管下入之前，主井冻结孔采用泥浆??置换技术封闭了自孔底以上２００ｍ范围，环形空间其他区段未进行封堵。??ｒＰ？，?４３?１?？?Ｊ?．〇?ＡＸ?３?＊Ｃ１??Ｔ，．，、??图２．３营盘壕煤矿主井井筒冻结孔及测温孔?图２．４营盘壕煤矿副井井筒冻结孔及测温孔??布置图?布置图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｈｏｌｅ?ａｎｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｆｉｇ．?２．４?Ｔｈｅ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｈｏｌｅ?ａｎｄ??ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ?ｈｏｌｅ?ｉｎ?ｍａｉｎ?ｓｈａｆｔ?ｏｆ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｍｅａｓｕｒｉｎｇ?ｈｏｌｅ?ｉｎ?ａｕｘｉｌｉａｒｙ?ｓｈａｆｔ?ｏｆ??Ｙｉｎｇ－ｐａｎ－Ｈａｏ?ｃｏａｌ?ｍｉｎｅ?Ｙｉｎｇ－ｐａｎ－Ｈａｏ?ｃｏａｌ?ｍｉｎｅ??副井井口标尚＋１２４７．５０ｍ，井筒直径（净）１０．０ｍ，井筒深度７８９．０ｍ，井筒支护??方式为钢筋混凝土双层复合井壁，外壁厚度为５５０ｍｍ，内壁厚度为５５０￣１５００ｍｍ，??混凝土强度等级Ｃ３０￣Ｃ７０。冻结深度为８６０ｍ，采用长短腿冻结，由２６个内圈孔??（６２３ｍ）
３．１所示）。为便于浆液扩散过程的理论研宄，本论文假设冻结孔和冻结管在施工及??下沉期间不存在弯曲，即两者轴线均呈竖直状态，且环形通道侧壁光滑无摩擦（如??图３．２所示）。??／?！?结孔?冻结？Ｃ?Ｉ??图３．１环形通道示意图?图３．２本文简化的环形通道示意图??Ｆｉｇ．３．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ａｎｎｕｌａｒ?Ｆｉｇ．３．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ??ｃｈａｎｎｅｌ?ａｎｎｕｌａｒ?ｃｈａｎｎｅｌ??３．１．２注浆扩散物理模型??注浆工程中，在井筒内破壁施工注浆孔以沟通冻结孔环形通道。与注浆压力??相比，浆液自重可忽略不计。根据以上概化边界条件并忽略浆液自重，静水条件??下浆液在环形通道的流态运动为以注浆孔轴线所在平面为对称面的垂向扩散，以??此建立环形通道内浆液扩散物理模型（如图３．３所示）。由图３．３可知，注浆孔水平??且半径为环形通道外壁半径（即冻结孔内径）为７？，内壁半径（即冻结管外径）为ｒ。??浆液在环形通道中扩散范围被扩散锋面所限制，浆液锋面长度为ｚｆｒａｎ；锋面处的??浆液扩散驱动压力ＰｆｒＱｎｔ假设等于静水压力Ａｖ，环形通道内最大注浆压力分布在注??浆管水平轴面与环空交截面处
【参考文献】：
期刊论文
[1]全深冻结井筒隐蔽竖向导水通道综合治理关键技术研究[J]. 刘心广,徐建国,马庆福,刘承志,魏久传,张伟杰,李孝朋. 中国煤炭. 2018(03)
[2]全深冻结井筒冻结孔导水通道预注浆技术[J]. 周霖,刘承志,张广学,魏久传,张伟杰,李孝朋. 煤炭科学技术. 2017(12)
[3]中国冻结法凿井理论与技术综述[J]. 李功洲. 建井技术. 2017(04)
[4]导水裂缝带高度研究方法探讨——以陈家沟煤矿为例[J]. 陈书客. 矿产勘查. 2017(03)
[5]导水裂缝带高度的多方法综合确定[J]. 张延飞,魏久传,谢道雷,李孝朋. 矿业研究与开发. 2017(01)
[6]深部矿井回风井冻结施工过程中管涌事故分析[J]. 杨健辉,汤秀锋,张劲松,芮大虎,王利. 煤炭科学技术. 2016(03)
[7]井筒冻结孔环形空间水害治理及效果评价[J]. 方沛. 煤矿安全. 2015(12)
[8]水泥-水玻璃浆液裂隙注浆扩散的室内试验研究[J]. 张庆松,张连震,刘人太,韩伟伟,朱明听,李相辉,郑东柱,徐咸辉. 岩土力学. 2015(08)
[9]井筒冻结孔解冻涌水发生机制及其控制技术[J]. 吴璋,王晓东,武光辉,朱明诚. 煤田地质与勘探. 2015(01)
[10]基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制[J]. 张庆松,张连震,张霄,刘人太,朱明听,郑东柱. 岩石力学与工程学报. 2015(06)
博士论文
[1]水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D]. 刘人太.山东大学 2012
[2]地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理研究及应用[D]. 张霄.山东大学 2011
硕士论文
[1]巨厚含水层下煤层顶板突水机理及水害危险性预测[D]. 孙福勋.山东科技大学 2017
[2]白垩系岩层冻融损伤破坏及可注性实验研究[D]. 贾晓峰.西安科技大学 2015
[3]冻结孔固管充填浆液性能劣化及冻结管的下沉受阻机理研究[D]. 樊志强.中国矿业大学 2015
[4]井筒基岩冻结法施工解冻水害治理技术研究[D]. 赵强.西安科技大学 2014
[5]高压裂隙注浆试验台研制及塑性早强浆材注浆试验研究[D]. 徐志鹏.煤炭科学研究总院 2009
[6]缝洞型介质两相流动机理的数值模拟研究[D]. 刘金玉.中国石油大学 2009
本文编号：3319476
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２井田含、隔水层结构示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｑｕｉｆｅｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??侏罗系安定组为阻隔志丹群含水层水进入矿井的主要隔水层
度８０５．９２ｍ。主井冻结深度８６５．００ｍ，冻结范围包括井筒下部装载硐室；冻结钻孔??４４个，直径＜Ｊ＞１９２ｍｍ，冻结管采用管径Ｏ１４〇ｘ６ｍｍ无缝钢管；测温管５个，采用??管径（＆１２７ｘ５ｍｍ无缝钢管（如图２．３所示）。冻结管下入之前，主井冻结孔采用泥浆??置换技术封闭了自孔底以上２００ｍ范围，环形空间其他区段未进行封堵。??ｒＰ？，?４３?１?？?Ｊ?．〇?ＡＸ?３?＊Ｃ１??Ｔ，．，、??图２．３营盘壕煤矿主井井筒冻结孔及测温孔?图２．４营盘壕煤矿副井井筒冻结孔及测温孔??布置图?布置图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｈｏｌｅ?ａｎｄ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｆｉｇ．?２．４?Ｔｈｅ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ｆｒｅｅｚｉｎｇ?ｈｏｌｅ?ａｎｄ??ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ?ｈｏｌｅ?ｉｎ?ｍａｉｎ?ｓｈａｆｔ?ｏｆ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｍｅａｓｕｒｉｎｇ?ｈｏｌｅ?ｉｎ?ａｕｘｉｌｉａｒｙ?ｓｈａｆｔ?ｏｆ??Ｙｉｎｇ－ｐａｎ－Ｈａｏ?ｃｏａｌ?ｍｉｎｅ?Ｙｉｎｇ－ｐａｎ－Ｈａｏ?ｃｏａｌ?ｍｉｎｅ??副井井口标尚＋１２４７．５０ｍ，井筒直径（净）１０．０ｍ，井筒深度７８９．０ｍ，井筒支护??方式为钢筋混凝土双层复合井壁，外壁厚度为５５０ｍｍ，内壁厚度为５５０￣１５００ｍｍ，??混凝土强度等级Ｃ３０￣Ｃ７０。冻结深度为８６０ｍ，采用长短腿冻结，由２６个内圈孔??（６２３ｍ）
３．１所示）。为便于浆液扩散过程的理论研宄，本论文假设冻结孔和冻结管在施工及??下沉期间不存在弯曲，即两者轴线均呈竖直状态，且环形通道侧壁光滑无摩擦（如??图３．２所示）。??／?！?结孔?冻结？Ｃ?Ｉ??图３．１环形通道示意图?图３．２本文简化的环形通道示意图??Ｆｉｇ．３．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ａｎｎｕｌａｒ?Ｆｉｇ．３．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ??ｃｈａｎｎｅｌ?ａｎｎｕｌａｒ?ｃｈａｎｎｅｌ??３．１．２注浆扩散物理模型??注浆工程中，在井筒内破壁施工注浆孔以沟通冻结孔环形通道。与注浆压力??相比，浆液自重可忽略不计。根据以上概化边界条件并忽略浆液自重，静水条件??下浆液在环形通道的流态运动为以注浆孔轴线所在平面为对称面的垂向扩散，以??此建立环形通道内浆液扩散物理模型（如图３．３所示）。由图３．３可知，注浆孔水平??且半径为环形通道外壁半径（即冻结孔内径）为７？，内壁半径（即冻结管外径）为ｒ。??浆液在环形通道中扩散范围被扩散锋面所限制，浆液锋面长度为ｚｆｒａｎ；锋面处的??浆液扩散驱动压力ＰｆｒＱｎｔ假设等于静水压力Ａｖ，环形通道内最大注浆压力分布在注??浆管水平轴面与环空交截面处
【参考文献】：
期刊论文
[1]全深冻结井筒隐蔽竖向导水通道综合治理关键技术研究[J]. 刘心广,徐建国,马庆福,刘承志,魏久传,张伟杰,李孝朋. 中国煤炭. 2018(03)
[2]全深冻结井筒冻结孔导水通道预注浆技术[J]. 周霖,刘承志,张广学,魏久传,张伟杰,李孝朋. 煤炭科学技术. 2017(12)
[3]中国冻结法凿井理论与技术综述[J]. 李功洲. 建井技术. 2017(04)
[4]导水裂缝带高度研究方法探讨——以陈家沟煤矿为例[J]. 陈书客. 矿产勘查. 2017(03)
[5]导水裂缝带高度的多方法综合确定[J]. 张延飞,魏久传,谢道雷,李孝朋. 矿业研究与开发. 2017(01)
[6]深部矿井回风井冻结施工过程中管涌事故分析[J]. 杨健辉,汤秀锋,张劲松,芮大虎,王利. 煤炭科学技术. 2016(03)
[7]井筒冻结孔环形空间水害治理及效果评价[J]. 方沛. 煤矿安全. 2015(12)
[8]水泥-水玻璃浆液裂隙注浆扩散的室内试验研究[J]. 张庆松,张连震,刘人太,韩伟伟,朱明听,李相辉,郑东柱,徐咸辉. 岩土力学. 2015(08)
[9]井筒冻结孔解冻涌水发生机制及其控制技术[J]. 吴璋,王晓东,武光辉,朱明诚. 煤田地质与勘探. 2015(01)
[10]基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制[J]. 张庆松,张连震,张霄,刘人太,朱明听,郑东柱. 岩石力学与工程学报. 2015(06)
博士论文
[1]水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D]. 刘人太.山东大学 2012
[2]地下工程动水注浆过程中浆液扩散与封堵机理研究及应用[D]. 张霄.山东大学 2011
硕士论文
[1]巨厚含水层下煤层顶板突水机理及水害危险性预测[D]. 孙福勋.山东科技大学 2017
[2]白垩系岩层冻融损伤破坏及可注性实验研究[D]. 贾晓峰.西安科技大学 2015
[3]冻结孔固管充填浆液性能劣化及冻结管的下沉受阻机理研究[D]. 樊志强.中国矿业大学 2015
[4]井筒基岩冻结法施工解冻水害治理技术研究[D]. 赵强.西安科技大学 2014
[5]高压裂隙注浆试验台研制及塑性早强浆材注浆试验研究[D]. 徐志鹏.煤炭科学研究总院 2009
[6]缝洞型介质两相流动机理的数值模拟研究[D]. 刘金玉.中国石油大学 2009
本文编号：3319476
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